LG-BRI06型工業機器人基礎教學工作站

一、功能介紹
LG-BRI06型工業機器人基礎教學工作站針對學校的教學特點，綜合了理（工業機器人編程理論知識）、虛（工業機器人虛擬仿真實訓任務）、實（實驗工作站與實訓任務配套）一體化教學特征，選用性能優良的設備，采用最新自動化技術，融合“智能制造、智慧工廠”理念，采用“模塊化、簡易化”設計方法，可充分學習工業機器人及其周邊應用技術，切實掌握相關實操技能，基礎教學實驗工作站具有如下特征：
1、知識面覆蓋廣：該實驗裝置綜合應用了多學科技術，適用于機械原理、自動控制原理、電氣控制與可編程控制器、傳感器與檢測技術、計算機控制技術等課程的實踐教學，具體實踐內容包括：工業機器人基礎教學，智能視覺系統的應用，電氣控制與可編程控制器應用，傳感器與檢測技術應用，計算機控制技術，工業總線技術等。
2、性能質量優良：采用市場占有率高、應用范圍廣的ABB品牌ABB IRB 120型工業機器人和自動化控制行業領軍品牌的德國SIEMENS公司S7-2 00 SMART系列PLC控制系統，確保平臺設備性能完全滿足學校的基礎教學需求，綜合考慮了控制模塊的可拓展功能，通過總線模塊可將多套工作站組合連接起來；
3、運行穩定可靠：氣動執行設備采用企業實際應用中常用的日本SMC品牌和臺灣AirTAC品牌優質氣動組件；電氣控制元件采用企業實際應用中常用的法國Schneider品牌和日本OMRON品牌繼電器、接觸器、按鈕等元器件，以確保設備功能可靠和豐富；
4、技術領先開放：工業機器人與PLC以及其他外圍器件的電氣接線全部引出到工作臺面，并使用通用端子，可方便實現工作站的信號連接實驗，方便對工作站控制結構進行拆分教學、常規維護、簡單排錯維護和工業機器人應用二次開發等實驗操作；PLC控制組件為模塊化設計，可以根據需求隨意添加所需功能模塊，方便工業機器人系統功能擴展；
5、資源豐富配套：配套的教學資源與工業機器人離線編程仿真軟件精密結合，與工作站深入融合，可在軟件中建立與真實工作站等比例的虛擬模型并進行軌跡規劃、調整與仿真，充分體現出離線編程相對于在線示教的技術優越性和操作便捷性；配套的課程資源由華昱智匯自主開發，涵蓋了基礎技術理論、實驗操作過程、維護排錯技巧、系統搭建調試、離線編程應用等所有內容，包含實體教材、PPT課件、實操錄像、專家講解等全方位資源，方便教學工作的開展，提高學生學習興趣。

圖 1 工業機器人示教編程實驗工作站

二、模塊配置
1、軌跡模塊
如圖 2所示，基礎功能模塊分為基本軌跡練習區、離線編程練習區、坐標系偏移練習區和復雜工藝軌跡練習區。在基本軌跡練習區，基礎軌跡包括的矩形軌跡、三角形軌跡和圓弧軌跡等，通過基礎軌跡區域可完成示教編程基本運動指令、精確定位和軌跡逼近等實驗功能。離線編程區域設計了一個基本的橢圓軌跡和一個帶有復雜曲線的企鵝圖案，橢圓軌跡既可以通過多點示教編程和離線編程兩種方式完成，通過對比，可以直觀的了解兩種編程方式的差異和應用場合，企鵝軌跡的繪制提高了學生在學習過程中的趣味性。在坐標系偏移練習區，有三個帶有平面坐標系的三角形軌跡，通過此部分可訓練坐標系的建立及運動軌跡的平移和旋轉。
復雜工藝軌跡練習區由一條貼附在 3D 軌跡板凸起部分的復雜樣條曲線組成。在工業機器人抓持筆工具后，可在此部分實現模擬涂膠和焊接復雜軌跡的運動功能，并在運動過程中練習調整工具姿態。

圖2 基礎功能模塊

2、智能料庫模塊
智能料庫分為上下兩層，每層設置 4 個工位。每個工位都可以放置正方形、長方形或圓形的物料。同時，每個工位安裝有傳感檢測裝置，可自行判斷此工位是否有物料。

圖3 智能料庫模塊

3、模擬流水線模塊
模擬流水線模塊由多功能料井、自動上料裝置、傳送裝置、視覺檢測裝置和廢料去除裝置組成，是一個集工業機器人、PLC、人機交互控制、傳感器、氣動控制、視覺檢測等前沿技術的綜合性實驗平臺。

圖 4 模擬流水線模塊

多功能料井為鋁合金材質，可兼容正方形、長方形和圓形三種形狀的物料塊以固定的姿態到達料井底部，料井底部設置有反射型光纖傳感器，當傳感器檢測到有物料落下時，觸發自動上料裝置，雙軸氣缸將物料推送到傳送裝置上。傳送裝置上電機配合精密減速器驅動傳送帶模擬真實工廠的流水線，在流水線的中間設置有視覺檢測裝置，檢測合格產品可以到達傳送帶的末端，不合格產品作為廢料，由廢料去除裝置推出傳送帶。在傳送帶末端配有精密傳感器感應產品是否到位。
4、視覺檢測模塊
視覺檢測裝置分為形狀識別和顏色識別兩部分，形狀識別采用高精度 CCD 視覺系統，檢測系統的基本工作原理是，首先建立起被檢測對象的標準圖像模板，然后對生產過程中接受檢測的對象一一拍照成像，再把每一幅圖像，再把每一副圖像與標準圖像板進行對比評判，從而區分出不同物塊產品并按要求作相應處理。實際上，在線視覺檢測系統在進行對比評判時，主要是根據受檢對象的特征和需要重點關注的部位，有選擇地設置一些檢測比較區域，并依據所選區域的特征利用相應的分析方法來進行對比評判，以達到在線檢測的目的。色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，就其原理來說并不是檢測顏色，它是通過檢測色標對光束的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實現檢測的。色標傳感器實際是一種反向裝置，光源垂直于目標物體安裝，而接收器與物體成銳角方向安裝，讓它只檢測來自目標物體的散射光，從而避免傳感器直接接收反射光，并且可使光束聚焦很窄。白熾燈和單色光源都可用于色標檢測。

圖 5 視覺檢測連接方式

此模塊將視覺檢測與工業機器人進行應用整合，賦予機器人智能化的能力，打造出智能化自動流水線系統，可以學習機器視覺與工業機器人協同工作的多個技術難點。此模塊集相機、通信端口及圖像處理算法等智能圖像處理系統于一體，也兼備 PC-BASE 圖像處理的靈活性。為方便客戶教學和研究等用途，視覺檢測系統具有良好的開放性，具有豐富的端口，不限定連接對象，可以實現與外圍設備的無縫通信。同時，從應用程序構筑到模擬均支持進一步自定義開發環境，可以進行二次開發的教學實踐。

圖 6 拍照圖片處理流程

5、碼垛模塊
搬運碼垛是工業機器人應用最廣泛的行業之一，此模塊作為流水線下料的存放臺，臺面上設置有與物料形狀對應的 6 個工位。當傳送裝置末端到位傳感器檢測到有信號時，會出發機器人將物料塊從傳送帶末端搬運到此臺面對應的工位。同時，此模塊具有兩個獨立的碼垛練習工位，每個工位有三個尺寸相同的長方形碼垛塊，通過這 6 個碼垛塊可以練習數組和循環指令的使用。

圖 7 碼垛模塊

6、機器人工具模塊
機器人末端工具是機器人的執行單元，如圖 8 所示此模塊包括尖點輔助工具、筆工具、氣動夾爪工具和氣動吸盤工具。尖點輔助工具形狀為圓錐，具有TCP 校準功能，同時可以模擬去毛刺、涂膠工具。筆工具、夾爪工具和吸盤工具都配備了機械快換工具，與機器人法蘭盤的機械快換工具配套使用，可實現工具的快速更換。筆工具內部設置有緩沖裝置，可以有效減少學生初步學習機器人操作時，由于不熟練導致剛性碰撞產生對工具的損壞。筆工具可以完成軌跡、寫字和繪畫等實驗內容，彩筆可快速更換。夾爪工具和吸盤工具采用國際知名品牌，用于物料的抓取和吸附。

圖 8 機器人工具模塊

7、綜合實驗功能
由工業機器人、IO 模塊、IO 操作臺、高性能 PLC、觸摸屏等構成，實現工業機器人 IO 參數配置、通信設置及高級程序編程練習，通過 PLC 模擬工業機器人在生產線應用中的相關實驗內容。為了模擬工業機器人真實應用環境，操控平臺包含高性能 PLC 組件，以實現工業機器人與PLC 進行通訊協調工作。PLC 采用德國 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC，如圖 68 所示。PLC采用專用高速處理芯片，基本指令執行時間可達 0.15μs，在應對繁瑣的程序邏輯、復雜的工藝要求時從容不迫，在同級別小型 PLC 中遙遙領先；采用模塊化設計，方便二次升級和擴展；內置數字量輸入 24 點、數字量輸出 16 點，包含 4 路高速計數器，同時集成了 3 路最高可達 100KHz 的高速脈沖輸出，支持 PWM/PTO 輸出方式以及多種運動模型，可自由設置運動包絡；內置以太網口，集成了強大的編程通信功能，方便快捷地實現程序上傳下載和與周邊設備的通信，簡化組網過程；在繼承 SIEMENS 編程軟件強大功能的基礎上，融入了更多的人性化設計，如新穎的帶狀式菜單，全移動式界面窗口，方便的程序注釋功能，強大的密碼保護等。

圖 9 SIEMENS 品牌 SIMATIC S7-200 SMART 系列 PLC

8、模塊搭配靈活
臺面上所有功能部件采用模塊化設計，臺面上所有功能模塊具有可拆卸、可重復利用的優點。每個模塊都有獨立的氣路和電路系統，模塊間留有氣源和線路接口。學校可以根據教學需要進行不同模塊的選配，在不同的情況下通過不同的組合達到不同的教學效果，功能模塊可以自由增減，搭配非常靈活。同時，學生在對機器人設備有一定的了解后，可對臺面進行二次開發，根據興趣和需要自主設計趣味性或競賽性模塊，很大程度上提高了學生的學習興趣。

圖 10 臺面模塊部件（可選配）

另外，模塊化機械設計是工業發達國家近二十年來一直采用的一種先進的機械產品設計方法。學生自主設計臺面功能模塊可作為《機械設計》課程的綜合實驗部分。學生根據課上所學機械原理和機械設計的基礎知識，在三維設計軟件中實現自己的設計想法，可自行設計機器人末端工具，臺面工裝、生產流水線及視覺分揀等。學生也可組隊完成整個臺面的重新規劃，利用設備本體提供的氣路和電路總線，賦予臺面新的設計亮點。此部分也可作為機械設計、機械制造、機電一體化、工業設計等專業的畢業設計內容。
此工作站整體外形統一，具有外部通訊接口，所以有配置靈活、便于擴展的優點。各工作站既可以作為獨立的功能個體，完成機器人的實訓任務。也可以作為相互的擴展模塊，通過電纜緊密拼裝后組成一個整體的結構。某一個工作站作為主控，其他工作站協同。通過之前所述不同的設計賦予每個工作站不同的功能，可添加節拍控制、生產管理、工業系統工程等管理思路，使其整體實現更加多元化的功能。

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